Режимы работы. Основные параметры.

Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока в. электрическую энергию постоянного тока. ВУ является одним из основных элементов любой системы бесперебойного электропитания аппаратуры телекоммуникаций и информационных сетей.

В качестве источника энергии их u1(t) в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. ВУ преобразует знакопеременное напряжение источника энергии u₁ (t) в напряжение постоянного тока u0(t), содержащее, кроме полезного продукта преобразования — постоянной составляющей напряжения U₀, также переменную составляющую, называемую пульсацией un(t) = u₀(t-)Uo. Допустимый уровень пульсации на выходе ВУ и критерии (параметры) ее оценки определяются требованиями аппаратуры.

Структурная схема простейшего нестабилизированного ВУ, выполненного по традиционной схеме, приведена на рис. В состав такого ВУ входит низкочастотный силовой трансформатор Т, работающий на частоте f₁ = 50 Гц источника энергии, вентильный блок(диодный блок) ВБ и сглаживающий фильтр СФ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения питающей сети (источника энергии) u1(t) до значений u2(t), при

которых на выходе ВУ может быть получено требуемое значение постоянной составляющей напряжения Uo. Кроме того, трансформатор необходим для обеспечения гальванической развязки между источником энергии и выходными зажимами ВУ, что позволяет заземлять один из выходных полюсов (зажимов) ВУ. ВБ преобразует переменное напряжение u2(t) в знакопостоянное (однополярное) напряжение u01 (t). В простейшем случае ВБ представляет собой набор неуправляемых вентилей (диодов), собранных по той или другой схеме выпрямления. В стабилизированных ВУ, выполненных по традиционной схем, ВБ может быть также реализован полностью на полууправляемых приборах — тиристорах или: в его состав могут входить как диоды, так и тиристоры. ВУ, в которых ВБ реализован с применением тиристоров, называются чаще управляемыми выпрямителями.

После ВБ следует сглаживающий фильтр СФ, представляющий собой фильтр нижних частот. СФ необходим для уменьшения уровня пульсации на выходе ВУ до значений, удовлетворяющих требованиям аппаратуры.

Поскольку в любом ВУ непосредственно за вентильным блоком следует сглаживающий фильтр, то последний определяет форму тока, протекающего через диоды ВБ и все элементы ВУ, стоящие перед ВБ, и, следовательно, определяет энергетические показатели ВУ в целом. Различают два основных режима работы ВУ: работу ВУ на нагрузку индуктивного и работу ВУ на нагрузку емкостного характера.

При работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера первым элементом сглаживающего фильтра является дроссель, индуктивное сопротивление которого даже на частоте первой гармоники пульсации существенно больше результирующего сопротивления всех, стоящих за ним элементов ВУ, включая нагрузку. Режим работы на нагрузку индуктивного характера предполагает безразрывность тока, протекающего по обмотке дросселя, даже при минимальном значении тока, потребляемого аппаратурой. Этот режим достаточно легко реализуется при относительно низком значении выходного напряжения ВУ и относительно большом токе, потребляемом аппаратурой (в этом случае обмотка дросселя может обладать достаточно малой индуктивностью). Данный режим характеризуется минимальными потерями во всех элементах ВУ по сравнению с другими режимами работу ВУ (при той же мощности потребляемой аппаратурой).

При работе выпрямителя на нагрузку емкостного характера первым элементом сглаживающего фильтра является конденсатор, сопротивление которого даже на частоте первой гармоники пульсации существенно меньше (в несколько раз) результирующего сопротивления всех стоящих за ним элементов ВУ, включая нагрузку. Этот режим реализуется тем легче (требует меньшей емкости конденсатора), чем, при прочих неизменных условиях, выше выходное напряжение ВУ (Uо) и чем меньше ток, потребляемый аппаратурой. Этот режим характеризуется низким КПД и применяется на практике, как правило, при мощности, потребляемой аппаратурой, не более нескольких десятков ватт.

Кроме этих двух основных режимов на практике встречается так называемый режим работы ВУ на смешанную нагрузку. В этом случае при большом потреблении аппаратурой ВУ работает на нагрузку индуктивного характера, а при малом потреблении— на нагрузку, близкую к работе на нагрузку емкостного характера.

Любое выпрямительное устройство характеризуется прежде всего:

• параметрами источника энергии,, к которому это ВУ подключается;

• выходными параметрами, оценивающими его работу в установившихся и переходных режимах;

• энергетическими, надежностными, стоимостными и объемно-массовыми показателями.

В случае подключения ВУ к сети переменного тока к параметрам источника энергии относятся:

• число фаз напряжения питающей сети mi;

• номинальное значение фазного или линейного напряжения и пределы его изменения;

• частота тока питающей сети и пределы ее изменения.

К выходным параметрам ВУ относятся прежде всего:

• номинальное значение выходного напряжения ;

• пределы регулирования выходного напряжения (в случае управляемого или стабилизирующего ВУ);

• номинальное Io (максимальное ) и минимальное Iomin значение выходного тока ВУ;

• величина пульсации выходного напряжения;

• величина выброса (увеличения) напряжения и длительность переходного процесса при сбросе (скачкообразном уменьшении) выходного тока в указанных пределах;

• величина провала (уменьшения) напряжения и длительность переходного процесса при набросе (скачкообразном увеличении) выходного тока в указанных пределах;

• стабильность выходного напряжения от всех дестабилизирующих факторов, которая обычно задается как изменение выходного напряжения, выраженное в процентах от номинального значения (этот параметр относится к стабилизирующим выпрямителям).

К энергетическим показателям ВУ относятся: КПД и коэффициент мощности. Надежность работы ВУ обычно оценивается средним временем наработки на отказ То. Массо-габритные показатели указываются как масса ВХ и его габаритные размеры. При расчетах ВУ, кроме перечисленных выше параметров, необходимо знать параметры элементов, входящих в состав ВУ,чтобы можно было производить их расчет и выбор.

Оценка пульсации выходного напряжения ВУ. Напряжение пульсации ип = uo(t) — U0 представляет собой периодическую функцию, частота изменения которой , как правило, выше частоты изменения напряжения источника энергии . Кратность частоты пульсации р, которую чаще называют числом фаз выпрямления, зависит от числа фаз вторичной обмотки трансформатора и числа тактов работы каждой из фаз вторичной обмотки на интервале периода изменения напряжения источника энергии. В общем случае выражение для числа фаз выпрямления р можно представить в следующем виде: (К_к- отношение первой гармоники СФ к первой гармонике отдельно взятой простой схемы выпрямления). Как любая периодическая функция пульсация может быть представлена суммой гармонических составляющих.

Размах пульсации от пика до пика или его относительная величина (размах пульсации, отнесенный к постоянной составляющей U₀): где — максимальное значение выходного напряжения ( —мгновенное значение выходного напряжения), — минимальное значение выходного напряжения , Вместо достаточно широко применяется такой показатель, как коэффициент пульсации по 1-й гармонике: